-
Verfahren zum Vakuumaufdampfen von stabilen dünnen Siliciummonoxyd-Schichten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vakuumaufdampfen von stabilen dünnen Siliciummonoxyd-Schichten
mit vorbestimmbarer Materialspannung, insbesondere für die Herstellung von mehrschichtigen
Kryotronvorrichtungen.
-
Bei bekannten Verfahren zum Aufdampfen dünner Schichten bilden sich
in den Schichten häufig Haarrisse und winzige Falten, wenn sie der Luft ausgesetzt
werden. Dies ist in erster Linie darauf zurückzuführen, daß in den Schichten beim
Aufdampfen hohe mechanische Spannungen auftreten, die sich beim Oxydieren an der
Luft noch vergrößern.
-
Derartige dünne Schichten, die Stärken von einigen Hundert Angström
aufweisen können, werden beispielsweise in der optischen Industrie als Antireflexbeläge
oder andere, die spektrale Durchlässigkeit beeinflussende Beläge von Linsen, bei
elektronenmikroskopischen Untersuchungen zum Anfertigen von Abdrücken oder Trägerschichten
und in der Elektronik zum Herstellen von integrierten Mikro-Miniaturschaltungen
mit Halbleiter- oder Kyrotronelementen verwendet. Die obengenannten Nachteile wirken
sich insbesondere bei der Herstellung von Mikro-Miniaturschaltungen sehr nachteilig
aus.
-
In der Literaturstelle »Journal of the American Ceramic Society<c,
Bd. 33, 1950, S. 354, wird auf die Abhängigkeit bestimmter Eigenschaften von aufgedampften
Siliciummonoxyd-Schichten von der Aufdampfungstemperatur hingewiesen. Der Literaturstelle
ist jedoch nicht zu entnehmen, daß bei geeignet gewählten Randbedingungen ein eindeutiger
Zusammenhang zwischen der Verdampfungstemperatur und der Zugfestigkeit bzw. der
Druckfestigkeit der aufgedampften Schichten besteht. Die oben angeführten Nachteile
der bisher bekannten Verfahren können somit mit den in dieser Literaturstelle enthaltenen
Lehren zum technischen Handeln nicht vermieden werden.
-
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Vakuumaufdampfen von
stabilen dünnen Siliciummonoxyd-Schichten, welches es ermöglicht, in diesen Schichten
eine nach Größe und Richtung vorherbestimmbare mechanische Spannung zu erzeugen
und an die Eigenschaften benachbarter Schichten anzupassen, und welches darüber
hinaus eine Dichte dieser Schichten gewährleistet, die eine spätere Oxydation weitgehend
ausschließt.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zum Vakuumaufdampfen
von stabilen dünnen Siliciummonoxyd-Schichten mit vorbestimmbarer Materialspannung,
insbesondere für die Herstelluüg von mehrschichtigen Kryotronvorrichtungen gelöst,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Aufdampfen bei einem Druck von höchstens
10-11 mm Hg und bei einer Temperatur des zu verdampfenden Materials im Bereich von
1300 bis 1450°C durchgeführt wird.
-
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens-
ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufdampfen von Schichten mit hohen Zugspannungen
im unteren Teil und zum Aufdampfen von Schichten mit kleinen Zugspannungen oder
Druckspannungen im oberen Teil des Temperaturbereichs gearbeitet wird.
-
Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt durch eine Kryotronvorrichtung, F i g. 2 eine Anordnung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, F i g. 3 bis 8 graphische Darstellungen
der Abhängigkeit der Druck- bzw. Zugfestigkeit von den verschiedenen, bei der Durchführung
des Verfahrens zu berücksichtigenden Parametern, F i g. 9 eine zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignete Verdampfungsquelle.
Die
in F i g. 1 gezeigte Kryotronvorrichtung besteht aus dünnen Schichten 1 aus Siliciummonoxyd
mit einer Stärke von etwa 5000 A, zwischen denen durch aufeinanderfolgende Aufdampfungs-
und Kondensationsprozesse dünne Schichten aus Blei (Pb) 3a und 3b und Zinn (Sn)
5 angeordnet sind. Die ganze mehrschichtige Kombination liegt auf einer Unterlage
9 auf. Diese aufeinanderfolgenden Aufdampfungs- und Kondensationsprozesse werden
in einer Verdampfungskammer 7 ausgeführt, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist. Gemäß
F i g. 1 bildet die Zinnschicht 5 den Torleiter des Kryotrons, dessen Umschaltung
zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand durch den Einfluß eines
magnetischen Feldes bewirkt wird. Dieses magnetische Feld wird durch einen Stromfluß
von mindestens einer vorherbestimmten Größe durch den Steuerleiter 3a erzeugt. Die
Bleischicht 3b dient als supraleitende magnetische Abschirmungsschicht, die die
Induktivität der Leitungen reduziert und die Stromleitungskapazität der Zinn-Torschicht
5 im supraleitenden Zustand erhöht.
-
Grundsätzlich beruht die Wirkungsweise von Kryotronvorrichtungen auf
dem physikalischen Phänomen der Supraleitfähigkeit, die eine Eigenschaft bestimmter
Stoffe ist, z. B. Blei, Zinn usw., die unterhalb einer nahe dem absoluten Nullpunkt
liegenden Temperatur keinen elektrischen Widerstand aufweisen. Die Tatsache, daß
das Kryotron von F i g. 1 normalerweise auf einer Betriebstemperatur gehalten wird,
die unter der kritischen Temperatur der Zinn-Torschicht 5 liegt, z. B. 3,3°K, hat
zu zahlreichen Fabrikationsschwierigkeiten geführt, deren hauptsächlichste die ist,
daß in den Siliciummonoxyd-Schichten Materialspannungen entstehen. Bisher sind diese
Siliciummonoxyd-Schichten mit ungesteuerter Eigenspannung auf die Unterlage 9 aufgebracht
worden, und zwar während des Aufdampfungs- und Kondensationsprozesses bei zwischen
300 und 330°K liegenden erhöhten Temperaturen. Bei Abkühlung auf die Betriebstemperaturen
der Kryotronvorrichtung, d. h. 3,3°K, muß die Materialspannung der isolierenden
Siliciummonoxyd-Schichten so beschaffen sein, daß die durch Differenzen in den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der jeweiligen Schichten bewirkten Spannungen nicht groß genug sind, um diese Schichten
zum Reißen zu bringen. In diesemFalle würde zwischen der angrenzenden Zinn-Torschicht
5 und den Steuer-oder Abschirmungsschichten 3a und 3b ein Kurzschluß entstehen,
der eine Betriebsstörung des Kryotrons herbeiführt. Solche Betriebsstörungen lassen
sich jedoch mit Sicherheit vermeiden, wenn während des Aufdampfungs- und Kondensationsprozesses
in jede Siliciummonoxyd-Schicht eine vorherbestimmte Materialspannung eingeführt
wird, die bei den Betriebstemperaturen die durch Differenzen in den jeweiligen Wärmeausdehnungskoefflzienten
benachbarter Schichten in der Kryotronvorrichtung bewirkte Spannung etwa auf Null
reduziert.
-
Die Einführung einer gesteuerten Materialspannung in stabile Siliciummonoxyd-Schichten
1 gemäß der Erfindung läßt sich durch die in F i g. 2 gezeigte Anordnung
7 erreichen. Diese Anordnung bewirkt nacheinander Aufdampfungs- und Kondensationsprozesse
bezüglich jeder Schicht der mehrschichtigen Kryotronvorrichtung von F i g. 1. Der
Rand einer Glasglocke 11 wird von einer ringförmigen Nut in einen kreisförmigen
Gummidichtring15 aufgenommen. Der Dichtring 15 bildet einen luftdichten Abschluß
bei Drücken bis zu mindestens 10-' mm Hg, wenn die Glasglocke 11 über ein Saugrohr
17 evakuiert wird. Das Saugrohr 17 geht durch die Grundplatte 13 hindurch, und sein
anderes Ende ist an eine hier nicht gezeigte Hochvakuumpumpe angeschlossen. Die
einzelnen Schichten der Kryotronvorrichtung werden nacheinander auf eine Unterlage
9 aufgebracht, die am oberen Teil der Glasglocke 11 durch zwei rechtwinklige Klammern
19 festgehalten wird. Die Klammern 19 werden starr und aufrecht stehend in Löchern
21 in der Grundplatte 13 festgehalten.
-
Die zu kondensierenden und auf die Unterlage 9 aufzubringenden Siliciummonoxyd-,
Blei- und Zinn-Verdampfungsstoffe werden von den Verdampfungsquellen 23, 25 bzw.
27 geliefert. Diese sind gebündelt und etwa senkrecht zur Unterlage 9 auf einer
Tragplatte 29 angeordnet, die über der Grundplatte 13 von isolierenden Abstandsstücken
31 getragen wird.
-
Eine Verteilerplatte 33 ist unmittelbar über den Verdampfungsquellen
23, 25 und 27 angeordnet und wird über der Grundplatte 13 von zwei Stäben 34 getragen.
Die Verteilerplatte 33 enthält mehrere Öffnungen 35, die jede mit einer der Verdampfungsquellen
fluchtet und so punktförmige Quellen der Siliciummonoxyd-, Blei- bzw. Zinn-Verdampfungsstoffe
bilden. Ein Verschlußelement 37 wird wahlweise so zwischen die Verteilerplatte 33
und die Unterlage 9 gestellt, daß es die Verdampfungsstoffe auffängt und ihre Kondensation
auf der Unterlage 9 verhindert. Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird nur Siliciummonoxyd,
das bei Quellentemperaturen zwischen 1300 und 1450°C geliefert wird, auf der Unterlage
9 kondensiert. Wenn daher die Verdampfungsquelle 23 auf eine ausgewählte Temperatur
erwärmt worden ist, läßt sich der Verschluß 37 horizontal aus der Lage über die
Unterlage 9 entfernen durch einen Steuerknopf 39, der sich außerhalb der Glasglocke
11
und unter der Grundplatte 13 befindet. Der Steuerknopf 39 ist mit dem Verschluß
37 über eine Pleuelstange 41 verbunden, die in einem Lager 42 auf
einer der Klammern 19 sitzt.
-
Zwischen dem Verschluß 37 und der Unterlage 9 befindet sich eine Maskierungsanordnung
43 zum Schablonieren von übereinanderliegenden Konfigurationen der betreffenden
Verdampfungsstoffe aus den Quellen 23, 25 und 27 auf die Unterlage 9. Entsprechende
Masken 45 sind hintereinander in einem Wagenelement 47 angeordnet, das in einem
röhrenförmigen Gebilde 49 gleitend angebracht ist. Das röhrenförmige Gebilde 49
ist horizontal an der Innenseite der Glasglocke 11 durch ein Trägerelement 51 festgehalten.
Die einzelnen Masken 45 werden Wahlweise so über der Fläche der Unterlage 9 und
innerhalb einer Öffnung 53, die in dem röhrenförmigen Gebilde 49 vorgesehen ist,
eingestellt, daß sie Teile der von der Verteilerplatte 33 aufwärts gerichteten Verdampfungsstoffe
auffangen. Die Masken 45 werden innerhalb der Öffnung 53 wahlweise eingestellt durch
das horizontale Verstellen eines Steuerknopfes 55, der über eine Pleuelstange 56
mit einem Wagen 47 verbunden ist.
-
Jede der Aufdampfungsquellen 23, 25 und 27 besteht aus einer herausnehmbaren,
röhrenförmigen Ladungspatrone 57, die in einem zylindrischen Heizelement 59 aufgenommen
wird, welches zwischen zwei konzentrischen Strahlungsschirmen 61 und 63 angeordnet
ist. Das Heizelement 59, die Strahlungsschirme
61 und 63 sowie
die Patrone 57 bestehen aus hitzebeständigem Material, z. B. aus Tantal. Das Heizelement
59 und die Strahlungsschirme 61 und 63 tragen an entsprechenden Enden ringförmige
Randteile 65, 66 bzw. 67 von nach und nach kleiner werdender Länge. Nach Ineinandersetzen
des Heizelements 54 und der Strahlungsschirme 61 und 63 werden diese durch die Bolzenanordnung
69 in einem feststehenden räumlichen Verhältnis zueinander gehalten. Außerdem weist
jedes Heizelement 59 an ,seinem unteren Ende einen zweiten ringförmigen Rand 71
auf, durch welchen die Aufdampfungsquellen 23, 25 und 27 jede mittels Bolzenanordnungen
73 an der Trägerplatte 59 befestigt sind.
-
Elektrische Energie wird den Verdampfungsquellen 23, 25 und 27 einzeln
über Zuführungen 75 und 77 in der Grundplatte 13 über Leitungen 79 und 81 zugeführt.
Jedes Leitungspaar 79 und 81 ist an schrägliegende Bolzenanordnungen 69 bzw. 79
so angeschlossen, daß elektrische Energie durch das mit Widerstand behaftete Heizelement
59 hindurchgeht. Die Strahlungsschirme 61 und 63 leiten nahezu die ganze so erzeugte
Wärmeenergie nach innen zu den entsprechenden Patronen 57, um das darin enthaltene
Verdampfungsmaterial einheitlich zu erhitzen. Die genaue Temperatur der Verdampfungsquelle
läßt sich leicht feststellen durch ein Thermopaar 82, das an der Wand des Heizelements
59 angebracht ist. Dieses Thermopaar 82 kann z. B. aus Platin-Platin mit
100/, Rhodium bestehen und ist über entsprechende Leitungen durch die Grundplatte
13 hindurch mit einem Meßgerät 84 verbunden.
-
Wenn das Siliciummonoxyd in Tablettenform geliefert wird, kann eine
Verdampfungsquelle des in F i g. 9 gezeigten Typs verwendet werden. Wie gezeigt,
werden Siliciummonoxydtabletten, durch deren Mitte ein kleines Loch gebohrt ist,
auf einem Trägerdraht 103 gestapelt und mit einer Zwinge 105 festgehalten. Der Draht
103 hält die Tabletten 101 von innen so fest, daß er das röhrenförmige Heizelement
107 nicht berührt. Elektrische Energie wird dem Heizelement 107 über Blechelektroden
109 und 111 zugeführt, die z. B. elektrisch an schräg verlaufende Bolzenanordnungen
69 und 79 von F i g. 2 angeschlossen sind. In Segmente eingeteilte Teile von zwei
röhrenförmigen Strahlungsschirmen 113 und 115 sind jeweils entlang jeder der Elektroden
109 und 111 so befestigt, daß sie das Heizelement 107 umschließen und Wärmeenergie
nach innen zu den Tabletten 101 richten; außerdem wird durch Verteiler 117, die
an den Elektroden 109 bzw. 111 und zwischen dem Heizelement 107 und dem inneren
Strahlungsschirm 115 angeordnet sind, sichergestellt, daß nahezu die ganze Wärmeenergie
in dieser Art gerichtet wird. Die Segmente der Strahlungsschirme 113 und 115 sind
jeweils in einem solchen Abstand von den anderen Elektroden 109 bzw. 111 angeordnet,
daß keine elektrische Energie über sie geleitet wird und die ganze Wärmeenergie
von dem Heizelement 107 erzeugt wird. Ein Thermopaar aus Platin-Platin mit 10°/o
Rhodium ist durch Punktschweißung an der Wand des Heizelements 107 befestigt, um
die Quellentemperatur zu messen. Das Oberteil der Quelle ist mit einem Verteilergebilde
119 bedeckt, das eine Mittelöffnung aufweist und als Strahlungsschirm dient, um
die Wärmeenergie mit der Quelle einheitlicher zu ver-,leilen und eine punktförmige
Quelle für das Siliciummonoxyd zu bilden. Die in den gestrichelten Kästchen 83,
85, 8'7 angedeuteten Temperaturregler sind Beispiele für zahlreiche Vorrichtungen,
die verwendet werden können, um die den Heizelementen 57 zugeführte elektrische
Energie und damit die Quellentemperatur zu regeln. Jeder der Temperaturregler 83,
85 und 87 besteht aus einem Abwärtstransformator 89, dessen Sekundärwicklung an
jedem Ende elektrisch mit den unteren freiliegenden Enden der Zuführungen 75 bzw.
77 verbunden ist. Die Primärwicklung des Transformators 89 ist über eine veränderliche
Induktivität 91 geschaltet, die ihrerseits an eine Wechselspannungsquelle 93 angeschlossen
ist. Die veränderliche Induktivität 91 ist so eingestellt, daß sie einem zugeordneten
Heizelement 57 genügend elektrische Energie zuführt, um die Quellentemperaturen
der einzelnen Verdampfungsquel'len auf bestimmte Höhen einzustellen.
-
Bei der Herstellung des Schichtkryotrons von F i g. 1 werden die Verdampfungsquellen
23, 25 und 27 nacheinander auf Quellentemperaturen erwärmt, die über den Verdampfungstemperaturen
der in den jeweiligen Patronen 57 enthaltenen Materialien liegen. Daher werden aufeinanderfolgende
Schichten des Siliciummonoxyds, des Bleis und des Zinns übereinander auf die Unterlage
9 aufgebracht. Bezüglich der Metallschichten, d. h. der Zinn-Torschicht 5, der Blei-Steuerschicht
3a und der Abschirmungsschicht 3b sind die Quellentemperaturen insofern nicht kritisch,
als es sich dabei um Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt handelt, die daher nur eine
unbedeutende Materialspannung enthalten. Andererseits entstehen bei der Aufbringung
in dem Siliciummonoxyd Materialspannungen, die durch die betreffendenAufdampfungs-und
Kondensationsparameter des Systems bestimmt sind.
-
Da sich die Erfindung auf die Aufbringung von Siliciummonoxyd als
dünne stabile Schichten auf eine Unterlage 9 richtet, wird nachstehend zunächst
der Aufdampfungs- und Kondensationsprozeß für das Siliciummonoxyd näher beschrieben.
Die oben beschriebene Anordnung ist für alle praktischen Zwecke konventionell; jedoch
werden die neuartigen Ergebnisse der Erfindung dadurch erreicht, daß solche Aufdampfungsparameter
gewählt werden, daß den Siliciummonoxyd-Schichten während des Aufdampfungs- und
Kondensationsprozesses eine vorherbestimmte Materialspannung gegeben wird. Diese
Aufdampfungsparameter werden in Verbindung mit den in F i g. 3 bis 8 gezeigten graphischen
Darstellungen besprochen.
-
Die Materialspannung der im Vakuum aufgebrachten Siliciummonoxyd-Schichten
kann variieren von einem spannbaren Zustand über einen Spannungszustand Null bis
zu einem Druckspannungszustand je nach den Aufdampfungsparametern des Systems. Die
wichtigsten, dieser Aufdampfungsparameter sind 1. die Aufbringungsgeschwindigkeit
des Silicummonoxyds auf die Unterlage 9 und 2. die Teildrücke von Sauerstoff (OZ)
und Wasserdampf (H20), die während des Aufdampfungs-und Kondensationsprozesses vorhanden
sind.
-
Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Teildrücke von Sauerstoff und Wasserdampf
innerhalb vorherbestimmter Grenzen gehalten werden, der Siliciummonoxyd-Schicht
entweder eine Materialspannung Null oder jede beliebige vorherbestimmte Materialspannung
von etwa 5 - 10s Dyn/cml bis etwa
-3 - 103 Dyn/cm2 gegeben werdenkann
durch Steuerung der Temperatur der Quelle 23 mittels des Temperaturreglers 85.
-
Bei feststehendem Abstand von Quelle zu Unterlage und bei weniger
als 10-5 mm Hg wird die Materialspannung, die einer Siliciummonoxyd-Schicht gegeben
wird als Funktion der Aufbringungsgeschwindigkeitfür zwei Quellen, derenAufdampfungsflächen
sich wie 1:2 verhalten, durch die Kurven I und II von F i g. 3 dargestellt. Durch
die Wirkung der Aufdampfung eines größeren Flächenbereichs von Siliciummonoxyd-Material
wird die Kurve II, die die Spannung zur Aufbringungsgeschwindigkeit darstellt, nach
rechts so verschoben, daß bei einer gegebenen Aufbringungsgeschwindigkeit der Siliciummonoxyd-Schicht
eine größere Zugspannung gegeben wird. Die Kurven I und II zeigen daher, daß die
der Siliciummonoxyd-Schicht gegebene Materialspannung nicht allein von der Aufbringungsgeschwindigkeit
abhängig ist. Die Aufbringungsgeschwindigkeit ist jedoch eine Funktion 1. des Verdampfungsflächenbereichs
des Siliciummonoxyd-Materials (vgl. Kurven 111 und IV von F i g. 4, die den
Verdampfungsflächen der Kurven I und II entsprechen), 2. des Abstandes zwischen
der Verdampfungsquelle 23 und der Unterlage 9 und 3. der Temperatur der Quelle 23.
-
Daher ist die so erteilte Materialspannung eine Funktion der Verdampfungsfläche
und der Quellentemperatur des Siliciummonoxyds.
-
Die in F i g. 3 enthaltenen Angaben bezüglich der Materialspannung
als Funktion der der Verdampfungsquelle 23 zugeführten Quellenenergie dividiert
durch die Verdampfungsquelle des Siliciummonoxyds (was eine Darstellung der Quellentemperatur
ist) sind als Kurve V von F i g. 4 aufgetragen. Kurve V zeigt, daß die Materialspannungskurven
I und IV von , F i g. 3, die zur Quellentemperatur normalisiert sind, einander überlagert
sind. Man sieht daher, daß die Quellentemperatur der einzige wichtige Verdampfungsparameter
für die Bestimmung der Materialspannung ist, die dem Siliciummonoxyd-Film während
des Aufdampfungs- und Kondensationsprozesses mitgeteilt wird. Diese alleinige Abhängigkeit
der Materialspannung des aufgebrachten Siliciummonoxyds wird eindeutig durch die
Kurve XI von F i g. 7 substantiiert, welche zeigt, daß die Materialspannung der
Siliciummonoxyd-Schichten innerhalb der Versuchsfehlergrenzen konstant bleibt, wenn
die Aufbringungsgeschwindigkeit des verdampften Siliciummonoxyds dadurchvariiertwird,
daß dieAufdampfungsfläche verändert wird, während die Quellentemperatur konstant
bleibt. Gemäß der Kurve XI von F i g. 7 erhält man eine Materialspannung von etwa
1 - 109 Dyn/cm2, wenn die Quellentemperatur auf 1328'C gehalten und die Aufdampfgeschwindigkeit
des Siliciummonoxyds dadurch von 4 M/sec bis 40 A variiert wird, daß die in F i
g. 9 gezeigte Öffnung der Siliciummonoxyd-Quelle verändert wird.
-
Wichtig ist es weiter, daß die Wahrscheinlichkeit einer Oxydierung
der Siliciummonoxyd-Schichten sowohl während des Aufdampfungs- und Kondensationsprozesses
als auch danach im wesentlichen ausgeschaltet wird, wenn die Quellentemperatur während
dieses Prozesses mindestens über 1300°C gehalten wird. Es ist bekannt, daß die während
des Aufdampfungs- und Kondensationsprozesses vorhandenen Teildrücke von Sauerstoff
und auch Wasserdampf nicht nur die Dichte, sondern auch die Materialspannung der
aufgebrachten Schicht beeinflussen. Zum Beispiel stellen die Kurven VII und IX und
auch die Kurven VIII und X von F i g. 6 die Materialspannung im Verhältnis zu Teildrücken
von Sauerstoff bzw. Wasserdampf dar, wenn Siliciummonoxyd bei Quellentemperaturen
von 1180 bzw. 1300°C verdampft wird. Wenn der Gesamtdruck unter 10-5 mm Hg gehalten
wird, wird der Einfluß von Teildrücken von Sauerstoff und Wasserdampf, die die kritischsten
Restgase sind, auf die Materialspannung der Siliciummonoxyd-Schicht, wie sie durch
die Kurven IX bzw. X dargestellt ist, bei Temperaturen ausgeschaltet, die mindestens
über 1300°C liegen. Wenn Gleichgewichtsbedingungen für die Reaktionen Si0 + 1/2
02 = S'02 und Si0 + H20 = Si02 -I- H2 angenommen werden, kann man zeigen, daß bei
diesen erhöhten Temperaturen und niedrigen Drücken die Reaktionen weitaus überwiegend
die Bildung von SiO begünstigen. Unter diesen Aufdampfungsbedingungen werden kompakte
Schichten, also Schichten größerer Dichte, auf die Unterlage 9 aufgebracht, welche
stabil, d. h. nicht oxydationsempfänglich, sowohl während des Aufdampfungs-und Kondensationsprozesses
als auch danach sind. Eine so aufgebrachte Siliciummonoxyd-Schicht braucht also
nicht aktiv gehärtet zu werden.
-
Die Abhängigkeit der Schichtdichte als Funktion der Quellentemperatur,
wenn der Gesamtdruck in der Glasglocke 11 etwa bei 10-5 mm Hg gehalten wird, wird
durch die Kurve XI von F i g. 5 dargestellt. Bei konstantem Gesamtdruck weicht die
Dichte der Siliciummonoxyd-Schicht von der von Siliciummonoxyd-Material, die mit
2,15 g/cm3 angegeben wird, ab und erhöht sich mit steigender Quellentemperatur.
Wenn dagegen der Gesamtdruck erhöht wird, wird die die Dichte zur Temperatur darstellende
Kurve XI nach unten so verschoben, daß bei einer gegebenen Quellentemperatur eine
Siliciummonoxyd-Schicht geringerer Dichte aufgebracht wird. Bei über 1300°C liegenden
Quellentemperaturen ist die Dichte des aufgebrachten Siliciummonoxyds wesentlich
größer als die von Siliciummonoxyd und nähert sich der Dichte von Silicium (Si),
d. h. 2,40 g/cm3. Das aufgebrachte Siliciummonoxyd bildet daher eine sehr kompakte
Schicht, die einen höheren Siliciumanteil enthält als das Siliciummonoxyd-Material
und daher unter dem Einfluß von Luft und Wasserdampf weniger leicht oxydiert. Bei
unter 1300°C liegenden Quellentemperaturen, d. h. bei niedrigeren Aufdampfgeschwindigkeiten,
bildet das aufgebrachte Siliciummonoxyd eine weniger kompakte Schicht, die einen
geringeren Siliciumanteil und einen höheren Siliciumdioxydanteil enthält. Diese
langsam aufgebrachten Schichten oxydieren wegen ihrer poröseren Struktur leichter
unter dem Einfluß von Luft. Daher wird die der Siliciummonoxyd-Schicht gegebene
Materialspannung in vielen Fällen so weit verändert, daß solche Filme sich werfen.
-
Die Kurve XII von F i g. 8 veranschaulicht die der Siliciummonoxyd-Schicht
mitgeteilte Material-
Spannung als singuläre Funktion der Quellentemperatur
in einer unter 10-6 mm Hg liegenden Atmosphäre. Man sieht, daß die so erzeugte Materialspannung
veränderlich ist von einer Zugspannung von 8,7 - 10$ Dyn/cm2 bis zu einer Spannung
Null, wenn die Quellentemperatur des aufzubringenden Siliciummonoxyds von 1100 auf
1600°C gebracht wird. Bei über 1450°C liegenden Quellentemperaturen machen diese
Schichten bei ihrer Aufbringung auf die Unterlage 9 jedoch eine stundenlange Härtung
durch. Im Laufe dieses Härtungsprozesses neigt die diesen Filmen gegebene Materialspannung,
ob es sich nun um eine Zug- oder eine Druckspannung handelt, dazu, etwas mehr zu
einer Zugspannung zu werden, und in einigen Fällen kann der Film dadurch rissig
werden. Bei Siliciummonoxyd-Schichten, die bei zwischen 1300 und 1450°C liegenden
Quellentemperaturen aufgedampftwerden, wirddas Spannungsgleichgewicht innerhalb
von Minuten nach der Aufbringung erreicht und bleibt sowohl im Vakuum als auch in
der Atmosphäre unverändert. Es versteht sich jedoch, daß dieses Reißen der Siliciummonoxyd-Schichten
bei über 1450°C liegenden Quellentemperaturen nicht durch das Oxydieren der Schichten
unter dem Einfluß von -Luft oder Wasserdampf bedingt ist.
-
Die erfindungsgemäße Aufbringung von Siliciummonoxyd-Schichten wird
daher in Atmosphären durchgeführt, deren Druck unter 10-6 mm Hg liegt, um die Wirkungen
von Teildrücken von Sauerstoff und Wasserdampf aufzugeben (s. F i g. 6), und bei
über 1300°C liegenden Quellentemperaturen, um nichtoxydierende Siliciummonoxyd-Schichten
zu bilden (s. F i g. 5). Da die Quellentemperatur des verdampften Siliciummonoxyds
der einzige determinierende Faktor ist, wird weiterhin diesen Filmen eine vorherbestimmte
Materialspannung gegeben (s. F i g. 3, 4 und 8), die sich mit den Differenzen in
den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metallschichten, z. B. der Blei-Steuerschicht
3 a und der Zinn-Torschicht 5, verträgt, zwischen denen diese Schichten in der mehrschichtigen
Kombination von F i g. 1 angeordnet sind, indem die veränderliche Induktivität 91
des Temperaturreglers 85 wahlweise gesteuert wird. Auf diese Weise läßt sich die
in jeder Siliciummonoxyd-Schicht entstehende Materialspannung an jedem Punkt auf
einer bestimmten Kurve der Kurvenschar von F i g. 1 so steuern, daß entweder eine
Zugspannung, eine Spannung Null oder eine Druckspannung entsteht. Im Falle des Kryotrons
von F i g. 1 ist es erwünscht, eine Zugspannung zu erhalten, damit sie mit den linearen
Kontraktionen der Metallschichten vereinbar ist, wenn das Kryotron den normalen
Betriebstemperaturen ausgesetzt wird.